起重机设计解析.pdf

前言 本次设计是我们三年以来所学知识的一个集中总结,不仅锻炼了我们的设计能力,提高我们处理解决实际问题的能力,而且锻炼了我们查阅资料,手册,编制一般技术文件的基本技能,使我们认识到了理论和实际的差别.本次设计的课题是小型起重机,广泛用于输送,装卸等场所.本次设计共分三大块:(1)总体参数的确定和设计计算(2)零部件的设计 主要内容包括:钢丝绳的计重点工程选择,卷筒直径的确定;螺栓预紧的计算,吊钩主要尺寸的确定,片式吊钩头部耳孔的计算,吊钩横梁的验算,滑轮直径的选择,蜗杆传动的主要参数.本次设计是在边兵兵老师精心指导下完成的,由于时间紧迫,加之本人水平有限,在设计过程难免会出现许多问题,敬请各位老师批评指正,我一定会虚心接受.第一章 概述 1.1 起重机械的作用 起重机械是用来对物料进行起重、运输、装卸和安装作业的机械,它可以完成靠人力无法完成的物料搬运工作,减轻人们的体力劳动,提高劳动生产率,在工厂、矿山、车站、港口、建筑工地、仓库、水电站等多领域和部门中得到了广泛的应用.随着生产规模的日益扩大,特别是现代化、专业化生产的要求,各种专门用途的起重机相继产生,在许多重要的部门中,它不仅是生产过程中的辅助机械,而且已成为生产流水作业线上不可缺少的重要机械设备,它的发展对国民经济建设起着积极的促进作用.起重机械是一种循环的、间歇动作的、短程搬运物料的机械。一个工作循环一般包括上料、运输、卸料及回到原位的过程，即取物装置从取物地点由起升机构把物料提起，由运行、回转或变幅机构把取料移位，然后物料在指定地点下放，接着进行相反动作，使取物装置回到原位，以便进行下一次的工作循环。在两个工作循环之间一般有短暂的停歇。起重机工作时，各机构经常是处于起动、制动以及正向、反向等相互交替的运动状态之中。1.2 起重机械的发展 上世纪 70 年代以来,随着生产和科学技术的发展,起重机无论是在产量上还是在品种及质量上都得到了极其迅速 的发展.随着国民经济的快速发展,特别是国家加大基础工程建设,规划的实施,建设工程规模日益扩大,起重安装工程量越来越大,需要吊装和搬运的构件和机器设备的重量也越来 越大.特别是大型电站、石油、华工、路桥、冶炼、航天以及工用民用高 层建筑的安装作业的迫切需要,极大地促进了起重机,特别是大型起重机的发展.具体表现在以下几个方面:1.通用型起重机以中小型为主,专用起重机向大型化发展.现代化的工程施工,要求不断提高起吊、安装、装卸及搬运作业的机械化程度,起重机的 发展 是以轻便灵活的中小型起重机为主.2.广泛采用液压技术 由于液压与液力传动体积小、重量轻、结构紧凑,能无级调速,操纵简便,运转平稳、工作可靠等优点.近年来在国内外各种类型的起重机上已得到广泛应用.3.重视“三化”,逐步采用国际标准 目前各国在发展起重机新产品中都很重视“三化”标准化、系列化、通用化.一些国家对工程起重机制定了国家标准，规定了起重量系列。有些国家对起重量虽然没有统一的规定，但各制造厂自成系列，注意采用通用零部件，为生产和使用提供了有利条件。4.发展一机多用产品 为了充分发挥起重机的作用,扩大 其使用范围,有的国家在设计起重机时重视了产品的多用性.例如在工作装置设计方面，除了使用吊钩外，还设计配备了电磁吸盘、抓斗、拉铲和木料抓取器等取物装置。有的还设计成使用于建筑基础工程中，如装设钻孔装置和掀动打桩拔桩装置等一机多用的产品。5.采用新技术、新材料、新结构、新工艺 为了减轻起重机的自重,提高起重性能,保证起重机高效可靠地工作,各国都非常重视采用新技术、新材料、新结构和新工艺.1-3 小型起重机的发展趋势 1.整机性能:由于先进技术和新材料的应用、同种型号的产品,整机重量要轻 20%左右,随着结构分析应用和先进设备的作用,结构形式更加合理.2.高性能:高可靠性的配套件,选择余地大,适应性好,性能得到充分的发展.3.电液比例控制系统和智能控制显示系统的推广应用.4.操作更方便、舒适、安全,保护装置更加完善.5.向吊重量大、起升高度、幅度更大的大吨位方向发展.第二章 总体参数的确定和设计计算 2.1 总体参数的确定;主要设计参数:额定起重力(KN)5KN 起升高度:2m 机构工作级别:Q-轻 2.2 主要结构形式的确定:2.2.1 整体机架 整体机架是指所有机构的支架为一个整体,优点是刚度大,装配相对容易,但吊点距比较大时会浪费材料.2.2.2 手摇驱动 2.2.3 单层绕 单层绕结构简单，结构尺寸较大 23 总体设计计算 231 滑轮倍率的确定 滑轮倍率（用 表示）表明了滑轮组省力的倍数或增速的倍数，滑轮组的倍率也就是它的传动比。滑轮组的倍率 等于悬挂物品的钢丝绳分支数与绕入卷筒的钢丝绳分支数之比。对于单联滑轮组，倍率等于钢丝绳分支数，既=。我们此次设计所选用为单联滑轮组，既=。（1）滑轮倍率的确定 在起重机的设计中，合理地确定滑轮组的倍率是很重要的。选用较大的倍率，可使钢丝绳拉力减小，从而使钢丝绳直径、卷筒和滑轮直径都减小。减小了钢丝绳的拉力及卷筒直径会使卷筒的扭矩减小，也就使减速器输出轴的扭矩减小。滑轮组本身具有传动比，选用较大的倍率，减速器的速比就可以减小，这样就可以会使整个起升机构尺寸、重量轻。因此，我们在本次设计过程中，可初步选用倍率=2，则 i=2.（2）滑轮组的效率计算 滑轮组的效率：由于滑轮组中各个滑轮阻力的影响，使得货物重量不能均匀地分配到钢丝绳各分支上，因而各分支的滑轮组地效率可由绕入卷筒钢丝绳不考虑阻力时地拉力与实际拉力之比来确定。滑轮组的效率可由下式计 算：=1111QQ 式中 一个滑轮的效率，在本次设计过程中，我们选用滑动轴承，此时=0.96,代入上式：由此可得：=98.096.01296.012 2.3.2 钢丝绳的确定 钢丝绳是起重机上最常用的一种挠性构件,它具有下列优点:强度高,承载能力大,过载能力强,弹性好,耐性好,耐冲击,自重小;挠性较好,运行平稳、高速运行时噪声小;工作可靠,不会突然破断.由于上述优点,钢丝绳广泛用于起重机的各个机构中.(1)最大工作静拉力的确定 可由下式确定:Smax =gQe 式中:Smax钢丝绳的最大工作静拉力 Qe一个吊点额定起重量,根据设计要求 Qe=5KN 滑轮的倍率=2 滑轮组效率=0.98 因此,将上述各参数代入上式,钢丝绳的最大工作静拉力 Smax=98.0215.05 2.7KN 经验:g=Qe3%=53%=0.15KN(2)钢丝绳的选择 钢丝绳的选择包括钢丝绳结构形式的选择和钢丝绳直径的确定,在腐蚀性环境中应采用镀锌钢丝绳.钢丝绳的性能和强度应满足机构正常工作的要求.钢丝绳结构形式的选择 钢丝绳根据捻挠次数分为:单绕绳、双绕绳、和三绕绳。单绕绳强度高、僵性大。按捻向可以分为：同向捻钢丝绳（顺绕绳），交互捻钢丝绳（交绕绳）和混合捻钢丝绳（混绕绳）。交绕绳的绳子和股自行扭转和松散的趋势相反。互相抵消，没有扭转打造的趋势，因此在起重机中应用最多；按股的构造可分为：点接触绳、线接触绳和面接触绳。线接触绳挠性好、耐腐蚀、使用寿命长、过载能力高。由于起重机是室外作业机械，绳的腐蚀相对严重，因此采用镀锌钢丝绳。综合上述，选择交互捻、线接触、镀锌单绕绳。钢丝绳直径的确定：估算法确定钢丝绳直径：Smax=10d Smax 钢丝绳最大工作静拉力 代入参数得：2.7=10d d=27.00.52cm 钢丝绳直径取 6mm.钢丝绳破断拉力计算：0Fn Smax ,0F42.7=10.8KN 0F所选钢丝绳的破断拉力（KN）.n钢丝绳的安全系数.钢丝绳卡数选 3 钢丝绳的使用寿命 所谓钢丝绳的寿命，就是达到报废标准的使用期限。为了延长钢丝绳的使用寿命，除了选用合适的钢丝绳构造形式外，还可以采用以 下几个方面的措施:提高安全系数，也就是降低钢丝绳的应力。选用较大的滑轮和卷筒直径。不允许钢丝绳扭结，不得使其穿过破损的滑轮。卷筒和滑轮槽的尺寸与材料对于钢丝绳的寿命有很大的影响。理想的绳槽半径约为 R=0.53d,R 太大使钢丝绳与绳槽接触面积减小，R太小会使钢丝绳卡紧。卷筒与滑轮的材料太硬或太软，对钢丝绳寿命都不利，铸铁较铸钢好。在槽底镶以铝合金或尼龙衬垫，可以提高钢丝绳寿命。233 卷筒直径的确定 卷筒在起升机构，变幅机构或牵引机构中用来卷绕钢丝绳，把原动机的驱动力传给钢丝绳，并把原动机的回转运动变为需要的直线运动。卷筒是用来卷钢丝绳，通常用圆柱形。按卷筒的制作方法可分铸造卷筒、焊接卷筒、和电渣焊卷筒.铸造卷筒：起重机上多采用铸造卷筒。中小型卷筒用铸铁制造，很少用铸钢，因为铸钢成本高，一般采用灰铸铁制造重要的卷筒可用球墨铸铁制造。采用铸铁卷筒可提高钢丝绳的使用寿命，较大的卷筒用铸钢制造。此上所述，应选用铸造卷筒。卷筒尺寸的确定 钢丝绳和卷筒表面之间的应力效率，相邻绳圈在工作时有摩擦，有利于钢丝绳的使用寿命。为了使钢丝绳在卷筒表面上排列整齐，单 层绕卷筒一般都带有螺旋槽。绳槽使钢丝绳与卷筒的接触面积增加，因而减小了它们之间的接触应力，也消除了在卷绕过程中绳圈间可能产生的摩擦，因此，可提高钢丝绳的使用寿命.单联滑轮的卷筒,只有一条螺旋槽,绳槽的形状分为标准绳槽和深槽两种。本次设计采用的是，单联滑轮组，选择标准绳槽，以下是绳槽的尺寸：卷筒绳槽底半径 R，槽深 C，槽的节距 T，其尺寸关系为：R0.55d (d 为钢丝绳直径 6mmm),R0.556=3.3 标准槽：C1（0.30.4）d=0.36=1.8 T1=6+2=8 卷筒直径 卷筒直径与滑轮直径一样，是以槽底计算的直径。卷筒直径的确定方法与滑轮完全相同。卷筒直径计算如下:D(h-1)d ,D(14-1)6=76(mm)式中:D 卷筒槽底起直径 h 卷筒直径与钢丝绳直径之比,初定 h 取 14。d 钢丝绳直径。卷筒直径的大小影响钢丝绳的使用寿命。从有利于钢丝绳寿命方面来看，卷筒直径愈大愈好，但这又会使传动机构过于庞大。从有利于传动机构来看，卷筒直径小好，这样可使卷筒传动机构紧凑。在起升高度较大时，为了不时卷筒过长，常选用较大的卷筒直径。卷筒长度 L：单联卷筒长度计算如下:L=L0+L1+2L2 L=72.72+18+210=110.72(mm)式中：L 卷筒总长度 L0绳槽部分长度,其值为:L0 =tnDHa0 Lmm72.7265.112.0220 式中:H起升高度,H 取 2mm，滑轮组倍率取=2，D0卷筒卷绕直径 D0=120mm，T绳槽节距,光卷筒取 T=d=6mm，n附加安全圈数,常取 n=1.5 圈，L1固定钢丝绳所需要的长度,一般取 L1=3t=18，L2两端的力缘长度(包括凸台在内)，取 10mm。卷筒壁厚 卷筒壁厚可先按经验公式初步确定，然后进行强度验算 对于铸铁卷筒：=0.02D+(610)(mm)S=0.0276+6=7.52 卷筒的长度 L3D 壁厚的拉曼公式求得其最大应力，将在筒壁的内表面，其计算式为：压=tDDSmax 卷筒在钢丝绳拉力作用下，产生弯曲、扭转和压应力。其中压应力最大，它是由钢丝绳箍紧所产生的。一般卷筒壁厚 s 与直径 D 比相差很大，可以近似认为DD=1 则上式可改写成：压=tSmax 压（Nmm）压=652.72700 0.06 钢丝绳在卷筒上固定必须十分可靠，便于检查和装拆，避免在固定处使钢丝绳受到过分的弯曲。目前采用的固定方法有：用压板、长板条固定、楔子固定。压板固定利用压板和螺栓固定绳尾，这种方法构造简单，装拆方便，便于观察和检查，安全可靠，目前最常用。用板固定钢丝绳的计算 SG=eS max 式中:Smax钢丝绳最大静拉力 钢丝绳与卷筒表面之间的摩擦私系数 =0.16，安全系数在卷筒上官包角(取 1.5 圈)取=4，e 自然对数的底数 e2.718，若取=0.16;=4 时,SG=0.1342700=847.8。钢丝绳进出滑轮时的允许偏角。计算公式如下：tanx0CDD7.01tan200 根据常用滑轮绳槽尺寸算得结果，r0=40-60 2.3.4 吊钩主要尺寸的确定 起重机工作时起升机构中连接被吊重物部分称为取物装置。起重机上采用合适的取物装置，能提高劳动生产率，能够减轻人的劳动强度改善劳动条件。取物装置应满足的基本要求：为了使起重机顺利、安全和高效率的安全工作取物装置一般应该尽量满足：构造简单、使用方便、安全可靠；要有足够的强度和刚度，重量较轻；生产率高，能迅速的悬挂或卸下物料；对于专用的取物装置，用来吊运大批同类物料时，应尽可能自动化。吊钩与动滑轮组组成吊钩组，吊钩组有两种形式：一种是短型吊钩组，另一种是长型吊钩组，短型吊钩组采用长型吊钩，动滑轮直接装在吊钩横梁上，由于省去一根单独的滑轮轴，所以整体高度较小，相应地就增大了有效起升高度。短型吊钩组滑轮安装在吊钩两边，滑轮数目是偶数，适用于较小倍率的滑轮组，当倍率较大时，滑轮数目增多，吊钩横梁增长，令使吊钩组自重过大，因此短型 吊钩只用于起重量较小的起重机。吊钩依其形状可分为单钩和双钩两种，单钩的优点是制造和使用比较方便，本次设计起重量小固选用短型单钩吊钩。钓钩及附件的计算 吊钩已有标准，一般是根据起重从标准中选用，不需要再进行计算或强度校核。这里介绍吊钩计算的目的在于掌握吊钩及其附件的计算方法，以便进行必要的核验和新吊钩设计。吊钩钩孔尺寸根据能容纳两根系物绳或专用吊具的尺寸决定。吊钩主要尺寸可按经验公式初步确定。钩孔直径：单钩 D（3035）Q 取 30 D30Q=21.2（mm）式中，Q额定起重量为 0.5t 钩口尺寸：S0.7576=57(mm)h/D=1.01.2 取 1.0 l1=2h l20.5h 吊钩强度计算:尾部螺纹直径的确定计算公式如下:=FQ2=2124dQ d1 Q4 s=压 4=0.064=0.24 V=0.1m/s =1+0.17v=1+0.170.1=1.017 d1=412.014.35.0017.14=0942.0034.21.469 式中：Q起重载荷 Q0.5t 2起重动载荷系数 此次设计中 2取 1.017 F，d1 分别为螺纹根部面积和螺纹根直径 许用应力 ns，n4 螺母高度计算 螺母应有足够的高度，它主要由螺纹间的挤压应力决定：螺母选 M6 拧紧力矩为 0.03.（Nm）挤22224ddZQ =22224ddtHQ=22414.3917.46505.0017.1=22917.4625.3985.5.0 0.1102 粗牙螺距（D）为 1，粗牙螺纹小径查表得为 4.917（查自工程制图）式中：Z螺母的螺纹圈数 ZtH50 H螺母的螺纹高度取 50mm t、d1、d2螺纹的节距取 1，d1,外径取 6，内径查得为 4.917 挤许用应力，由于压力在各圈螺纹间分布很不均匀，挤压应力就取较底的许用值。第三章 零部件的设计 3.1 圆蜗杆传动设计 3.1.1 圆柱蜗杆传动的主要参数和几荷尺寸 蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成的传动装置，用于传动空间两交错轴之间的运动和动力，一般蜗杆为主动体，蜗轮为从动件，常用作减速装置。蜗杆传动具有传动比大和结构紧凑等优点，广泛应用于各类机械、设备和仪表中。根据蜗杆和不同形状，可分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动，和锥蜗杆传动三种类型。蜗杆传动的特点：传动比大 传动平稳、噪音小 结构紧凑，在一定条件下可以实现自锁 传动效率底、发热量大、磨损比较严重 蜗杆传动适用于传动比大，传递功率不大且不作长期连续运动的场合，综合以上所述，本次设计需选用圆柱蜗杆传动。主要参数计算如下：物块在巻筒上，设卷筒转 n2转 所以：2Dn 1 n2=2.014.31 =1.59 i=21nn=21zz=140 n1=401.59=63.6 式中：i传动比 z1蜗杆头数 z2蜗杆齿数，选 40 蜗杆直径系数 q 和导程角 tg=808111dmz=0.1 f=0.18/=arctemf 导程角/摩擦角自锁 Tgtge/蜗杆传动效率为 y=(0.950.97)/etgtg 所以：FLi=2D 500L400.7=10103276 L=27.1(mm)3.2 吊钩设计 钩柱断面强度的验算 计算公式如下：bGQ钩2=5.2 =1502400015.05.0017.1=360005100255.0=1.4104 式中：G 钩吊钩自重为 15N，B钩柱的宽度和厚度，宽度取 240mm,厚度取 150 mm。耳孔宽度的验算，衬套内孔 d1与轴系采用动配合，可按曲梁公式计 算：拉bGQ钩2=5.2sns 拉71028.0321502400015.05.0017.1 式中：耳孔曲率系数，取32 耳孔高度，h0的验算，衬套与头部耳孔采用紧配合可按厚壁筒计算，直径 d 的 E 点处产生最大拉应力：拉220220244dhdhbGQ 5.2ssn 拉36100004361000041502400015.05.0017.1 143870400038092.20419 1.4104 吊钩横梁验算：2223hdBQNM44102.04.25.2102.04.2ssn 吊钩横梁的轴颈，一般按平均挤压应力计算：挤gdQ122 21011.07.4405085.0150469.125.0017.1 吊钩拉板的验算：水平断面，固孔边有应力集中，故孔内侧拉应力最大 拉7.15.233.17.1s 式中：i应力集中系数 垂直断面，内侧拉应力最大 22022012442dddQ拉3s 3.3 滑轮设计 在起重机的起升机构中，钢丝绳要缠绕过若干个滑轮，然后固定在卷筒上。滑轮根据其用途可分为定滑轮和动滑轮两种，定滑轮的心轴固定不动。用来改变钢丝绳的方向，动滑轮装在移动的心轴上，可与定滑轮一起组成滑轮组以达到省力或增速的目的。滑轮的材质影响钢丝绳寿命。如果滑轮急速磨埙或在绳槽上产生压痕就表明钢丝绳压在滑轮上的接触压力过大。滑轮上一旦产生压痕，将会加剧钢 丝绳的磨埙。为了防止产生压痕，可以通过加大滑轮直径，增加滑轮数目，采用坚硬的耐磨性好的金属制造的滑轮来改善其工作状况。滑轮材料一般有以下几种：（1）铸铁滑轮（2）铸刚滑轮（3）球墨铸铁滑轮（4）焊接 滑轮（5）铝合金滑轮（6）塑料滑轮本次设计选用铸铁（HT150）滑轮，价格便宜，易于加工，并且由于它强性模数较低，使挤压应力减小，有利于钢丝绳寿命。滑轮的直径：Domin=hd Domin=616=96(mm)式中：Domin-钢丝绳中心计算的滑轮最小卷绕直径；h与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数选 h=16(mm)d钢丝绳的直径（mm）d=6mm Do=D+d 96=D+6 D=90mm 滑轮的效率：z=实际拉力理想拉力ss01 查得：z=0.98 S=98.05=5.1 当滑轮无阻力时，钢丝绳每次与承受的拉力为：So=aQ=25.025.0 因此，当滑轮有阻力是绕入卷筒钢丝绳的实际拉力为：S=26.098.025.0.zaQ 3.4 机架设计概述 机器中的部件或大型零件都应有在机器中支承或容纳零部件的确零件算为机架。在满足机架设计准则的前提下，必须根据机架的不同用途和所处的环境。考虑下列稳中各要求，并有所偏重：（1）重量轻，材料合适，成本低；（2）结构合理，便于制造；（3）结构应使机架上的零部件安装，调整修理和更换都方便；（4）机构设计合理，工艺性好，还应使机架本身的内应力小。3.4.1 对于机架设计的一般要求：机架结构设计时应综合考虑各种因素，既要保证工作性能，又要工艺性好，合理的结构是在重量条件下具有最好的强度和刚度，所以机架设计准则包括三个方面的要求：(1)刚度 机架的刚度包括静刚度和动刚度，静刚度限制外力作用下的变形量，动刚度则主要是指机架的抗零能力及抗热变形能力。(2)强度 要求在最大外载荷作用下，保证机构不出现埙坏；（3）稳定性 机架受压或压变时，容易产生结构失稳，问题，设计时应加以校核：（1）车轮的疲劳计算：Pc=3.15314162 臂长：3m=3000m 卷筒周长：C=D=3.1476=238.64mm 固定周长：238.641.5=357.96mm，1.5 圈 H 应为：2m=2000mm 钢丝绳总长度为：3000+357.96+2000=5357.96（mm）5357.96mm=5.35796m=6m 所以钢丝绳总长度取 6m。3.4.2 对于吊臂设计的要求：吊臂选材：无缝圆钢管。总 结 大三的下半学期，我们开始毕业设计。毕业设计不仅是对我们三年以 来所学知识的一个集中总结，而且还锻炼了我们的设计能力，提示了我们处理解决实际问题的能力，使我们认识到理论和实际的差别，正是由于上述这些因素，大家对本次设计都显得格外重视。我们本次毕业设计的课题是 小型起重机 。小型起重机是起重机械的一种，而我们知道起重机械是用来对物料进行起重，运输，装卸作业的机械，也是一种循环的，间歇动作的，短程搬运物料的机械。在具体的设计过程中，我们严格按照老师给出的设计步骤，对起重机进行了整体设计。首先我们对起重机的总体多数进行了确定，接下来我们又对具体零部件进行设计，在完成了零部件的设计。在设计中，遇到了一些问题，在老师的耐心指导下，问题一个一个被解决了。通过本次设计，不仅便我们对所学的知识有了更深的理解，而且还提示了我们处理实际问题的能力。在本次设计过程中，我认识到了理论和实际之间的差别，在设计 过程中，要考虑许多实际的因素，而着就需要在设计过程中不断积累经验，只有这样才能设计出更好，更经济的产品，这就是本次设计我最大的收获。参考文献 1 起重机械设计手册 机械工业出版社出版 2 机械设计手册 化工工业出版社出版 3 材料力学 高教出版社出版 起重机械 郑州大学出版社出版